CN102780158A - 可调谐外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐外腔半导体激光器，包括半导体光放大器和依次设置于所述半导体光放大器发出激光的光路上的准直透镜、可旋转的法布里-珀罗滤光片、第一完全反射镜、部分反射镜以及第二完全反射镜；所述部分反射镜垂直于经所述第一完全反射镜出射后的激光的光路；所述可调谐外腔半导体激光器还包括与所述部分反射镜固定连接的致动器，所述致动器包括平行于所述部分反射镜的接触平面，所述法布里-珀罗滤光片一端搭接在所述接触平面上，所述致动器沿所述部分反射镜的法线方向移动，以改变所述法布里-珀罗滤光片与所述激光的光路的夹角。本发明调谐时不会对光路造成影响，输出光束的方向不会随波长的调谐而改变，且可以实现波长的连续可调。

Description

可调谐外腔半导体激光器

【技术领域】

本发明涉及半导体激光器，特别是涉及一种可调谐外腔半导体激光器。

【背景技术】

1964年，世界上首个外腔式半导体激光器的实验被Crowe和Craig验证。1981年，Fleming和Mooradian发表了第一篇详细论述外腔式可调谐半导体激光器特性的文章，此后，外腔半导体激光器的研究在全球范围内开始活跃起来。如今，外腔半导体激光器的研究热点已转移到大范围连续调谐、频率稳定和拓展应用等方面，其商品被广泛用于频分复用和相干光通信系统。

目前，外腔式可调谐半导体激光器已经发展出来了多种结构，虽然各不相同，但它们的设计原则都一样，就是在外腔中插入分光元件，通过调节分光元件与腔外的反馈机构来实现激光波长的调谐。目前比较流行的两种外腔结构是基于光栅的Littrow结构和Littman-Metcalf结构。这两种结构的特点是均采用光栅作为分光元件和反馈机构。

目前主流的Littrow结构和Littman-Metcalf结构都是基于光栅的，但它们自身均存在着一些缺陷：它们的输出光束的方向是随着波长的调谐而改变的；它们的输出波长不是被线性调谐的。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种输出波长连续可调(无跳模)的可调谐外腔半导体激光器。

一种可调谐外腔半导体激光器，包括半导体光放大器和依次设置于所述半导体光放大器发出激光的光路上的准直透镜、可旋转的法布里-珀罗滤光片、第一完全反射镜、部分反射镜以及第二完全反射镜；所述部分反射镜垂直于经所述第一完全反射镜出射后的激光的光路；所述可调谐外腔半导体激光器还包括与所述部分反射镜固定连接的致动器，所述致动器包括平行于所述部分反射镜的接触平面，所述法布里-珀罗滤光片一端搭接在所述接触平面上，所述致动器沿所述部分反射镜的法线方向移动，以改变所述法布里-珀罗滤光片与所述激光的光路的夹角。

优选的，所述法布里-珀罗滤光片为具有如下膜系结构的全介质型薄膜法布里-珀罗滤光片：Air|(HL)^PH-2L-H(LH)^P|Glass，其中，Air是空气，Glass是基片，H是光学厚度为四分之一波长、且材质为Ta₂O₅的第一介质层，L是光学厚度为四分之一波长、且材质为SiO₂的第二介质层，P是重复单元的个数。

优选的，所述第一介质层的折射率为2.06，物理厚度为193.57nm；所述第二介质层的折射率为1.46，物理厚度为273.12nm；所述基片是折射率为1.5168的玻璃基片，物理厚度为2mm。

优选的，所述P的值为7。

优选的，所述基片镀有减反膜。

优选的，所述半导体光放大器的一端形成有第一反射膜，另一端形成有第二反射膜，所述第一反射膜的反射率大于等于90％，所述第二反射膜的反射率小于0.01％。

优选的，还包括与所述半导体光放大器连接，用于控制所述半导体光放大器温度的热电制冷器。

优选的，所述第一完全反射镜与经所述法布里-珀罗滤光片出射后的激光的光路的夹角为45度，所述第二完全反射镜与经所述部分反射镜出射后的激光的光路的夹角为45度。

优选的，所述法布里-珀罗滤光片与所述致动器搭接的一端为球体。

优选的，所述可调谐外腔半导体激光器的初始外腔往返光程总长为204.4mm，所述法布里-珀罗滤光片是绕转轴旋转且转轴中心到所述球体的球心的距离为37.25mm。

上述可调谐外腔半导体激光器，通过上下移动致动器对输出光束的波长进行调谐，调谐时不会对光路造成影响，输出光束的方向不会随波长的调谐而改变。且由于输出波长随致动器的位移线性变化，因此可以实现波长的连续可调。

【附图说明】

图1是一实施例中可调谐外腔半导体激光器的结构示意图；

图2是外腔往返光程随致动器位移而改变的原理图；

图3是随着致动器位移的改变，法布里-珀罗滤光片的透射中心波长对应的分数模数的变化图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1是一实施例中可调谐外腔半导体激光器的结构示意图，可调谐外腔半导体激光器100包括沿激光出射光路上依次设置的半导体光放大器10和依次设置于半导体光放大器10发出激光的光路上的准直透镜20、可绕转轴32旋转的法布里-珀罗滤光片30、第一完全反射镜40、部分反射镜50以及第二完全反射镜60。

半导体光放大器10发出的激光首先透过准直透镜20和法布里-珀罗滤光片30，然后被第一完全反射镜40反射，再透过部分反射镜50后，最后被第二完全反射镜60反射。

部分反射镜50垂直于经第一完全反射镜40出射后的激光的光路。在优选的实施例中，第一完全反射镜40与经法布里-珀罗滤光片30出射后的激光的光路的夹角为45度，第二完全反射镜60与经部分反射镜50出射后的激光的光路的夹角为45度；在其他实施例中，第一完全反射镜40与第二完全反射镜60也可以设置为其他角度。

可调谐外腔半导体激光器100还包括与部分反射镜50固定连接的致动器70。致动器70包括平行于部分反射镜50镜面的接触平面71。法布里-珀罗滤光片30一端搭接在致动器70的接触平面71上。致动器70用于沿部分反射镜50的法线方向移动。法布里-珀罗滤光片30与致动器70搭接的一端为球体34(实际是表面光洁度很好的标准球体，摩擦阻力极小)，接触平面71是光滑平面(实际是表面光洁度很好的平面，摩擦阻力极小)。球体34与接触平面71的接触部分有良好的光洁度，可以确保法布里-珀罗滤光片30在致动器70的带动下运动的灵敏度。致动器70上下移动(即沿部分反射镜50的法线方向移动)时，会带动部分反射镜50同步运动，同时带动法布里-珀罗滤光片30绕转轴32转动。在本实施例中，转轴32设计为在致动器70偏离了竖直向下的位置(即图2中的位置1)时对致动器70施加一个弹力(回复力)。致动器70向上运动时克服转轴32沿顺时针方向的弹力驱动法布里-珀罗滤光片30绕转轴32逆时针转动，向下运动时法布里-珀罗滤光片30因受转轴32沿顺时针方向弹力的作用而顺时针转动，以改变法布里-珀罗滤光片30与激光的光路的夹角。

在本实施例中，法布里-珀罗滤光片30是全介质型薄膜法布里-珀罗滤光片，且膜系结构为：

Air|(HL)^PH-2L-H(LH)^P|Glass

其中Air是空气，Glass是基片，H是光学厚度为四分之一波长的高折射率介质层(第一介质层)且材质为Ta₂O₅，L是光学厚度为四分之一波长的低折射率介质层(第二介质层)且材质为SiO₂，P是(HL)或(LH)重复单元的个数。在优选的实施例中，P的值为7。

在优选的实施例中，第一介质层的折射率为2.06，物理厚度为193.57nm。第二介质层的折射率为1.46，物理厚度为273.12nm。基片是折射率为1.5168的玻璃基片，物理厚度为2mm。在其他实施例中，本自然段中的参数都可以有±5％的浮动。

在优选的实施例中，基片采用材料为K9的玻璃基片，且在基片无“H”、“L”层的一侧(表层)镀有减反膜，以防止光束在基片中来回反射。

图2是外腔往返光程随致动器位移而改变的原理图。把法布里-珀罗滤光片30垂直于光轴时整个装置的位置记为初始位置(图2中的位置1)，当致动器70(图2未示)从初始位置开始向上推进时，有两个运动会因此同时发生：1)法布里-珀罗滤光片30逆时针转动；2)部分反射镜50向上运动。法布里-珀罗滤光片30的逆时针转动会使得其透射中心波长逐步减小；部分反射镜50的向上运动会使得整个激光系统的外腔往返光程逐步减小，从而外腔纵模波长逐步减小。可以证明，当致动器70在某一个运行区间内向上推进时，法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长将与某一个外腔纵模波长同步减小。此时，可调谐外腔半导体激光器100将输出波长连续可调(无跳模)的激光。

假设在初始位置时，整个外腔往返光程总长(即初始外腔往返光程总长)为OPL(0)。当致动器70(图2未示)由初始位置上移x(mm)后(到达位置2)，外腔往返光程的改变量是OPD(x)。法布里-珀罗滤光片30的基片物理厚度为h，基片的折射率为n。从转轴32中心到球体34的球心的距离为L。根据图1，OPD(x)的表达式为：

$\mathrm{OPD}\left(x\right)=2[\mathrm{nh}-\frac{n^2\mathrm{hL}}{\sqrt{n^2{L}^2+x^2-2\mathrm{xL}}}-h+x+\frac{2\mathrm{xhL}-x^{2}h+h(L-x)\sqrt{n^2{L}^2+x^2-2\mathrm{xL}}}{L\sqrt{n^2{L}^2+x^2-2\mathrm{xL}}}]---\left(1\right)$

那么，当致动器由初始位置上移x(mm)后，新的外腔往返光程总长OPL(x)＝OPL(0)-OPD(x)。由此，可以求出致动器70移动后的外腔往返光程总长。

同时，当致动器70由初始位置上移x(mm)后，通过下式，可以求出法布里-珀罗滤光片30的旋转角度θ，

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{L-x}{L}---\left(2\right)$

这里的θ也正是此时激光光束在法布里-珀罗滤光片30处的入射角。对于一个给定的法布里-珀罗滤光片30，其透射中心波长w_s(x)是其光束入射角的函数，由于入射角θ已经求出，所以此时的w_s(x)也是一个定值，可以相应求出。依据法布里-珀罗滤光片30的透射特性和可调谐外腔半导体激光器100的激射原理，法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长的变化与可调谐外腔半导体激光器100外腔纵模波长的变化之间存在着一种准线性的关系。

因而，定义法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长所对应的分数模数为m_s(x)，当致动器70由初始位置上移了x(mm)后，有

$m_s\left(x\right)=\frac{\mathrm{OPL}\left(x\right)}{w_s\left(x\right)}---\left(3\right)$

随着x的连续改变，m_s(x)也在发生着改变。

令h＝2(mm)，n＝1.5168，L＝37.25(mm)，OPL(0)＝204.4(mm)，且法布里-珀罗滤光片30其它各参数如下：

膜系结构为Air|(HL)⁷H-2L-H(LH)⁷|Glass，其中Air是空气，Glass是基片，H是光学厚度为四分之一波长的高折射率介质层(第一介质层)且材质为Ta₂O₅，L是光学厚度为四分之一波长的低折射率介质层(第二介质层)且材质为SiO₂。第一介质层的折射率为2.06，物理厚度为193.57nm。第二介质层的折射率为1.46，物理厚度为273.12nm。基片是折射率为1.5168、材料为K9的玻璃基片，物理厚度为2mm，且在基片无“H”、“L”层的一侧镀有减反膜，以防止光束在基片中来回反射。

调谐外腔半导体激光器100的结构如图1实施例所示。图3所示为“m_s(x)-x”曲线图。由图3可见，随着致动器70由初始位置开始逐步向上运动，法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长所对应的分数模数将先增大、后减小。在增大与减小之间有一个平稳的过渡区域，此区域内的分数模数基本维持稳定不变，说明在此区域中，法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长正与某一个外腔纵模波长保持同步变化。也就是说，在此区域中，可调谐外腔半导体激光器100的输出波长处于无跳模连续可调的状态。

法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长可以通过改变其倾角θ的大小来改变：倾角θ越大，透射中心波长越小。并且，对于横电场光或横磁场光来说，法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长与其倾角θ的余弦在一定范围内呈线性关系。法布里-珀罗滤光片30的透射中心波长也可以通过改变“H”层与“L”层的光学厚度来改变：光学厚度越大，透射中心波长越大。

参见图1，在优选的实施例中，半导体光放大器10是一端形成有第一反射膜11、另一端形成有第二反射膜13的反射式半导体光放大器(RSOA)。第一反射膜11是反射率大于等于90％的高反膜，第二反射膜13是反射率小于0.01％的低反膜，其参数如下表所示：

上述半导体光放大器10应具有较高的偏振相关增益，输出的激光光束基本上是一种横电场光(同时也是线偏振光)。在优选的实施例中，可调谐外腔半导体激光器100还包括与半导体光放大器10连接，用于控制半导体光放大器10温度的热电制冷器(TEC)，在工作时将半导体光放大器10温度控制在25摄氏度。

在优选的实施例中，转轴32中心到球体34的球心的距离为37.25mm。在图2的初始位置时，外腔往返光程总长(即从半导体光放大器10涂镀高反膜的一端到部分反射镜50的往返光程长度)OPL(0)为204.4mm。那么，当致动器70相对于初始位置向上的推进距离为2.5～3.1mm时，可调谐外腔半导体激光器100的输出波长处于无跳模连续可调的范围。这种连续可调表现为输出波长随致动器70的位移线性变化。由于外腔往返光程较长，所以可以获得较窄的输出光束线宽。在其他实施例中，本自然段中的参数都可以有±5％的浮动。

使用时，法布里-珀罗滤光片30应与光轴有一定倾角而不是垂直，防止光束被反射回半导体光放大器10。

上述可调谐外腔半导体激光器，通过上下移动致动器对输出光束的波长进行调谐，调谐时不会对光路造成影响，输出光束的方向不会随波长的调谐而改变。且由于输出波长随致动器的位移线性变化，因此可以实现波长的连续可调。输出光束的线宽较窄。且结构简单，成本较低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，包括半导体光放大器和依次设置于所述半导体光放大器发出激光的光路上的准直透镜、可旋转的法布里-珀罗滤光片、第一完全反射镜、部分反射镜以及第二完全反射镜；

所述部分反射镜垂直于经所述第一完全反射镜出射后的激光的光路；

所述可调谐外腔半导体激光器还包括与所述部分反射镜固定连接的致动器，所述致动器包括平行于所述部分反射镜的接触平面，所述法布里-珀罗滤光片一端搭接在所述接触平面上，所述致动器沿所述部分反射镜的法线方向移动，以改变所述法布里-珀罗滤光片与所述激光的光路的夹角。

2.根据权利要求1所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述法布里-珀罗滤光片为具有如下膜系结构的全介质型薄膜法布里-珀罗滤光片：

Air|(HL)^PH-2L-H(LH)^P|Glass，

其中，Air是空气，Glass是基片，H是光学厚度为四分之一波长、且材质为Ta₂O₅的第一介质层，L是光学厚度为四分之一波长、且材质为SiO₂的第二介质层，P是重复单元的个数。

3.根据权利要求2所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述第一介质层的折射率为2.06，物理厚度为193.57nm；所述第二介质层的折射率为1.46，物理厚度为273.12nm；所述基片是折射率为1.5168的玻璃基片，物理厚度为2mm。

4.根据权利要求2所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述P的值为7。

5.根据权利要求2所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述基片镀有减反膜。

6.根据权利要求1所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述半导体光放大器的一端形成有第一反射膜，另一端形成有第二反射膜，所述第一反射膜的反射率大于等于90％，所述第二反射膜的反射率小于0.01％。

7.根据权利要求1所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，还包括与所述半导体光放大器连接，用于控制所述半导体光放大器温度的热电制冷器。

8.根据权利要求1所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述第一完全反射镜与经所述法布里-珀罗滤光片出射后的激光的光路的夹角为45度，所述第二完全反射镜与经所述部分反射镜出射后的激光的光路的夹角为45度。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述法布里-珀罗滤光片与所述致动器搭接的一端为球体。

10.根据权利要求9所述的可调谐外腔半导体激光器，其特征在于，所述可调谐外腔半导体激光器的初始外腔往返光程总长为204.4mm，所述法布里-珀罗滤光片是绕转轴旋转且转轴中心到所述球体的球心的距离为37.25mm。

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